JP2013258021A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ロスを低減しつつ、混色が生じない表示装置を提供する。
【解決手段】基板１１と、基板１１上にマトリクス状に複数配列されてなる画素（例えば、１０Ｇ）と、から構成され、前記画素が、基板１１上に設けられる発光素子（有機電界発光素子２０）と、前記発光素子上に設けられ所定の色を出力させるためのカラーフィルタ（４０Ｇ）と、を有し、互いに隣接する二つの画素がそれぞれ有するカラーフィルタ間に隔壁３２が設けられ、隔壁３２の屈折率が、前記カラーフィルタの屈折率よりも低いことを特徴とする、表示装置１。
【選択図】図２

Description

本発明は、表示装置、特に、有機電界発光素子を備える表示装置に関する。

発光する有機材料がもたらす有機エレクトロルミネセンス（ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を利用する有機電界発光素子は、陽極と陰極との間に、正孔輸送層や発光層等の有機化合物からなる層を積層させてなる有機化合物層が設けられている。また有機電界発光素子は、高輝度な発光が可能な発光素子である。

この有機電界発光素子を複数用いてなる用いた表示装置では、有機電界発光素子を個別に駆動するためのトランジスタを備えた画素回路を同一基板内に形成することで、表示装置の高機能化を図っている。この場合、予めトランジスタが形成された基板上に、当該トランジスタに接続させる状態で有機電界発光素子が形成されることになる。このため、基板上に形成される有機電界発光素子は、当該基板の反対側から発光光を取り出す、いわゆる上面発光型（トップエミッション型）の素子とすることが、表示装置の開口率を確保する上で有効になる。

一方、有機電界発光素子を用いたフルカラーの表示装置の一つとして、白色発光する有機電界発光素子とカラーフィルタとを組み合わせた構成を有する表示装置がある。この構成を採用すると、各色に発光する有機電界発光素子を作り分ける必要がない。即ち、発光層を形成する際に、メタルマスクを用いた高精細な塗り分けを行わなくてもフルカラーの表示装置を提供することが可能になる。

この類の表示装置には、従来、有機電界発光素子から出力された白色光が、当該有機電界発光素子の真上のカラーフィルタだけでなく、隣接するカラーフィルタを通過することによる混色の課題があった。このような課題を解決するための手段として特許文献１にて提案されている手段がある。ここで特許文献１には、混色の課題を解決する手段として、カラーフィルタ間をブラックマトリクスで区切り、光源とカラーフィルタをの間の距離を所定の距離よりも小さく設定する構成が開示されている。

特開２００６−７３２１９号公報

しかしながら、特許文献１では斜め方向に出射された光の一部がブラックマトリクスで吸収されるために表示装置の正面における光の取り出し効率が低下するという問題が生じていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされるものであり、その目的は、光学ロスを低減しつつ、混色が生じない表示装置を提供することにある。

本発明の表示装置は、基板と、前記基板上にマトリクス状に複数配列されてなる画素と、から構成され、
前記画素が、前記基板上に設けられる発光素子と、前記発光素子上に設けられ所定の色を出力させるためのカラーフィルタと、を有し、
互いに隣接する二つの画素がそれぞれ有するカラーフィルタ間に隔壁が設けられ、
前記隔壁の屈折率が、前記カラーフィルタの屈折率よりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、光学ロスを低減しつつ、混色が生じない表示装置を提供することができる。

本発明の表示装置に含まれる画素が有する副画素の配置例を示す平面模式図である。 図１（ｂ）のＡＡ’断面を示す断面模式図である。 本発明の表示装置の表面において所定の角度で出射された光の軌道を示す断面模式図である。 本発明の表示装置の表面において所定の角度で出射された光の軌道を示す断面模式図である。 本発明の表示装置の表面において所定の角度で出射された光の軌道を示す断面模式図である。 隣接するカラーフィルタ間にブラックマトリックスが設けられている表示装置の例を示す断面模式図である。 本発明の表示装置における第二の実施形態を示す断面模式図である。

本発明は、基板と、前記基板上にマトリクス状に複数配列されてなる画素と、から構成される表示装置に関する。本発明において、画素は、基板上に設けられる発光素子と、この発光素子上に設けられ所定の色を出力させるためのカラーフィルタと、を有する。また本発明において、互いに隣接する二つの画素がそれぞれ有するカラーフィルタ間には隔壁が設けられており、この隔壁の屈折率は、各画素が有するカラーフィルタの屈折率よりも低い。さらに、本発明において、この隔壁は、その断面形状が順テーパーを有する形状であるのが好ましい。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ただし本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の表示装置に含まれる画素が有する副画素の配置例を示す平面模式図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、画素（１ａ、１ｂ）には、赤色副画素１０Ｒ、緑色副画素１０Ｇ、青色副画素１０Ｂ等の複数種類の副画素が配置されている。

ここで図１（ａ）に示される画素１ａにおいて、各副画素（１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ）は、面積比が、１０Ｒ：１０Ｇ：１０Ｂ＝１：１：２の割合で配列されている。

また図１（ｂ）に示される画素１ｂにおいて、各副画素（１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ）は、列方向（縦方向）に細長い矩形状として、ほぼ同じ面積で、行方向（横方向）に配列されている。

（１）第一の実施形態
図２は、図１（ｂ）のＡＡ’断面を示す断面模式図である。尚、図２は、本発明の表示装置における第一の実施形態を示す模式図でもある。図２の表示装置２は、基板１１上に設けられている発光素子２０を有する極薄型の有機発光ディスプレイである。

図２の表示装置２において、基板１１は、例えば、ガラス等の絶縁材料よりなる素子基板と、この素子基板上に設けられるＴＦＴ（不図示）と、このＴＦＴを設ける際に生じた凹凸を埋めるための平坦化層（不図示）と、からなる基板が用いられる。

基板１１上に設けられる発光素子２０は、好ましくは、有機電界発光素子である。また、後述するカラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）を通過する光の強度を均等にするという観点で、特に好ましくは、白色有機電界発光素子である。ここで発光素子２０は、基板１１上に設けられている陽極２１と、有機化合物層２２と、陰極２３と、がこの順に積層されてなる電子素子である。

図２の表示装置２において、陽極２１は、反射層としての機能も兼ねている。また発光効率の向上という観点から、陽極２１は、反射率が高い材料からなる電極層であることが好ましい。反射率が高い材料として、例えば、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。尚、銀に代えて銀を含む合金を用いてもよい。またアルミニウムに代えてアルミニウムを含む合金を用いてもよい。特に、上記材料の中でも銀は、金属材料の中で最も反射率が高い材料であり、光の吸収損失を小さくすることができるのでより好ましい。

図２の表示装置２において、有機化合物層２２は、発光素子２０から主力される発光色によって構成が異なっているが、少なくとも白色等の特定の色を出力する発光層（不図示）を有する単層あるいは複数の層からなる積層体である。発光層は、電界をかけることにより電子と正孔との再結合が起こり、この再結合によって生じた光を主力するそうである。有機化合物層２２が複数の層からなる積層体である場合、発光層以外の有機化合物層２２に含まれ得る層として、正孔輸送層、電子輸送層等が挙げられる。ここで正孔輸送層を設けると、発光層への正孔注入の効率を高めることができる。また正孔輸送層は正孔注入層を兼ねていてもよい。一方、電子輸送層を設けると、発光層への電子注入の効率を高めることができる。

図２の表示装置２において、陰極２３は、インジウム錫酸化物やインジウム亜鉛酸化物等の金属酸化物材料からなる透明電極又は光を十分に透過する程度の膜厚で形成された金属薄膜電極である。尚、本発明においては、陰極２３は、光源となる有機化合物層から出力された光の進路を制御するという観点から、屈折率が高い方が好ましい。

図２の表示装置２において、発光素子２０上には、封止層３１が設けられている。封止層３１は、発光素子２０を封止するために設けられる層であるため、透過率が高くガスバリア性が高い層であることが好ましい。また封止層３１は、屈折率が高い材料からなる層である。例えば、屈折率２．０を有するシリコン窒化膜等の高屈折材料から構成される層である。尚、封止層３１の成膜方法によって封止層３１の屈折率は変化する。

図２の表示装置２において、封止層３１上には、各副画素（１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ）が出力する光の色を透過するカラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）が設けられている。

図２の表示装置２において、互いに隣接するカラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）間には、隔壁３２が設けられている。隔壁３２は、両側面に接するカラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）よりも屈折率が低い部材である。隔壁３２の屈折率は、好ましくは、１．２乃至１．５である。隔壁３２の構成材料として、好ましくは、シリコン酸化物、有機樹脂等の低屈折率材料である。また図２の表示装置２において、隔壁３２の断面形状は順テーパーを有する四角形状である。本発明において、隔壁３２の断面形状は、図２に示されるように順テーパーを有する形状であるのが好ましい。尚、隔壁３２を設けることにより、発光素子２０から出力された光が装置内をどのように進行するのか、については後述する。

図２の表示装置２において、カラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）上及び隔壁３２上には、ガラス基板３３が設けられている。尚、このガラス基板３３は、主に、カラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）や隔壁３２を保護するために設けられている。

次に、カラーフィルタ（４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）よりも屈折率が低い隔壁３２を設けることにより、発光素子２０から出力された光がどのように進行するのか、について図面を適宜参照しながら説明する。

図３乃至図５は、本発明の表示装置の表面において所定の角度で出射された光の軌道を示す断面模式図である。尚、図３乃至図５は、本発明の表示装置では所定の角度で出射された光に関して混色が生じないことを証明するための図でもある。以下、緑色副画素１０Ｇを具体例として説明する。

本発明の表示装置は、サイズが１インチ未満のマイクロディスプレイを主な用途と想定しており、基板１１の法線方向に対して所定の角度以上に取り出される光は接眼レンズの光学系を介して見るため、アイポイント近傍の位置では目に入ってこない。このため、当該所定の角度以下の出射角で空気中に出射される光において混色が発生するか否かを考察すればよいことになる。

ここで空気中へ出射される光の出射角がθ₁＝２０°の場合について検討する。尚、検討の際に、光が通過する部材の屈折率が、それぞれ下記表１に示される値であるものと仮定する。尚、図３乃至図５にて示される高屈折率層３４とは、図２の表示装置２に示される陰極２３と、封止層３１と、からなる積層体である。また陰極２３及び封止層３１の屈折率はほぼ同じであるとする。

スネルの法則から、隣接する二つの媒質の界面における光の出射角を算出すると、下記式（１）に示される通りとなる。
ｎ₁×ｓｉｎθ₁＝ｎ₂×ｓｉｎθ₂＝ｎ₃×ｓｉｎθ₃ （１）
（ｎ₁：空気の屈折率、ｎ₂：カラーフィルタの屈折率、ｎ₃：高屈折率層３４の屈折率、θ₂：高屈折率層３４／カラーフィルタ界面における光の出射角、θ₃：光源２４から高屈折率層３４へ出射される光の出射角）

式（１）において、ｎ₁＝１．０、ｎ₂＝１．６、ｎ₃＝２．０及びθ₁＝２０°をそれぞれ代入すると、θ₂＝１２．４、θ₃＝９．９となる。

また式（１）において、θ₃をθ₁の関数と考えると、θ₃は、下記式（２）に示される通りとなる。
θ₃＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ₁／ｎ₃）ｓｉｎθ₁｝
＝ｓｉｎ^-1｛（１／２）ｓｉｎθ₁｝ （２）

式（１）及び（２）より、θ₁が０°から２０°まで増加すると、θ₃は０°から９．９°まで単調に増加する。

図３は、光源から出力された光が隔壁３２の底面を通過した場合における光の軌道を示す図である。隔壁３２の底面を通過した光は、隔壁３２の内部を通り、隔壁３２とカラーフィルタ４０Ｇに隣接するカラーフィルタ４０Ｂとの界面に到達する。

スネルの法則に従い、空気／ガラス基板３３界面の光の出射角を２０°と設定する。ここで、両媒体の屈折率を考慮すると、図３に示される光線の空気／ガラス基板３３界面の入射角は約１２°となる。このため、隔壁３２／カラーフィルタ４０Ｂ界面における光の出射角θ₁₁は約７８°となる。ここで隔壁３２／カラーフィルタ４０Ｂ界面における光の入射角θは、両媒体の屈折率を考慮すると、下記式（３）から求めることになる。
１．３×ｓｉｎθ＝１．６×ｓｉｎ７８° （３）

しかし、式（３）からｓｉｎθを求めると、ｓｉｎθ＝１．２（＞１）と、ｓｉｎθの値として取り得ない値となる。このため、隔壁３２（の底面）を経由して隣接するカラーフィルタ（４０Ｂ）を通り、空気中に２０°以下の角度で出射される光は存在しないことになる。

図４は、光源から出力された光が、高屈折率層３４からカラーフィルタ４０Ｇに隣接するカラーフィルタ（４０Ｂ）を経由して空気界面に出射される場合における光の軌道を示す図である。図４において、光が空気界面に出射する際の出射角をθ₄とすると、θ₄は、光源の端部の位置、高屈折率層３４の膜厚ｄ₁、カラーフィルタ４０Ｂの膜厚ｄ₂、光が通過する部材（高屈折率層３４、カラーフィルタ４０Ｂ、ガラス基板３３）の屈折率に依存する。つまり、θ₄を決定付ける要件を適宜調整することによって、θ₄を、混色が問題となる（空気界面での）出射角の範囲から外すことが可能となる。

具体的には、光源端部（Ｐ₁）と隔壁３２のカラーフィルタ４０Ｂ側下端部（Ｐ₂）との平面的距離を調整することによって、θ₄を、混色が問題となる（空気界面での）出射角の範囲から外すことが可能となる。

ここで、Ｐ₁とＰ₂との平面的距離は、高屈折率層３４／カラーフィルタ４０Ｂ界面における光の入射角θ₅を用いて、ｄ₁ｔａｎθ₅と表される。ここで高屈折率層３４を構成する封止層の膜厚が厚いと、Ｐ₁とＰ₂との平面的距離（ｄ₁ｔａｎθ₅）は大きくなる。このため、光源端部（Ｐ₁）の位置は、発光部の中心側へ移動する。

ここで隔壁３２の底面の幅をｘ、発光部のピッチ（画素ピッチ）をｐとすると、ある発光部の端部で発せられた光が隣接画素のカラーフィルタを通過して出射角θ₄で出射するのは、（ｐ＋ｘ）／２の値がＰ₁とＰ₂との平面的距離（ｄ₁ｔａｎθ₅）よりも小さい場合である。従って、光源から出力された光が隣接画素のカラーフィルタを通過させないためには、ｄ₁が下記条件式（４）を満たすように設定する。

式（４）のように設定すれば、光源から出力された光のうち隣接するカラーフィルタ（４０Ｂ）を通過した光については、空気界面の出射角θ₄を、混色が問題となる（空気界面での）出射角の範囲から外すことが可能になる。

図５は、光源から出力された光が、隔壁３２の側壁に到達する場合における光の軌道を示す図である。本発明においては、カラーフィルタ４０Ｇは隔壁３２よりも屈折率が大きい。このため、光源から出力されカラーフィルタ４０Ｇを通過した光は、よほど急峻な角度で隔壁３２（の側壁）に入射しない限り、カラーフィルタ４０Ｇと隔壁３２との界面で全反射する。

従って、図５に示される、Ｐ₁からＰ₃までの範囲から出力された光は、カラーフィルタ４０Ｇ／隔壁３２界面において全反射され画素１０Ｇ内から光が取り出される。尚、図５において、Ｐ₁は、光源から出力される光が、隔壁３２の上端部を通り、出射角度θ₁（例えば、θ₁＝２０°）でもって空気中へ出射されるための光源（点光源）の位置を示す。また図５において、Ｐ₃は、カラーフィルタ４０Ｇの隔壁３２側下端部の直下にある光源（点光源）の位置を示す。

図６は、隣接するカラーフィルタ間にブラックマトリックスが設けられている表示装置の例を示す断面模式図である。また図６は、隣接するカラーフィルタ間にブラックマトリックスが設けられている表示装置における光源から出力された光の軌道の例を示す図でもある。従来では、隣のカラーフィルタを光線が通過することによって生じる混色を防ぐために隣接するカラーフィルタ間（例えば、４０Ｇと４０Ｂとの間）にブラックマトリックス３５が設けられていた。しかし、ブラックマトリックス３５は光を吸収する材料からなる部材であるため、ブラックマトリックス３５の底面や側壁に接触した光はブラックマトリックス３５に吸収され、吸収された分の光は損失する。

これに対して、ブラックマトリックスの代わりに本発明の表示装置に含まれる隔壁３２は、光を吸収しない部材からなる。ここでいう光を吸収しない部材とは、膜厚ｄ₁において可視光域の光透過率が８０％以上となる材料をいう。このため、隔壁３２の側壁に接触した光を有効に利用できる分、ブラックマトリックスを用いた従来の方式と比べて光の取り出し効率が向上する。因みに、図５において、Ｐ₁とＰ₄との距離及びＰ₄とＰ₃との距離は、高屈折率層３４及びカラーフィルタ４０Ｇの膜厚及び高屈折率層３４／カラーフィルタ４０Ｇ界面における光源から出力される光の入射角及び出射角から以下に示す通りに求まる。
（１）Ｐ₁とＰ₄との距離：ｄ_aｔａｎθ_x
（２）Ｐ₄とＰ₃との距離：ｄ_bｔａｎθ_y
（ｄ_a：高屈折率層３４の膜厚、ｄ_b：カラーフィルタ４０Ｇの膜厚、θ_x：高屈折率層３５／カラーフィルタ４０Ｇ界面における光源から出力される光の入射角、θ_y：高屈折率層３５／カラーフィルタ４０Ｇ界面における光源から出力される光出射角）

つまり、距離にして、ｄ_aｔａｎθ_x＋ｄ_bｔａｎθ_yの分だけ光の取り出し効率は向上することになる。

尚、図５において、Ｐ₁とＰ₄との距離は、θ₁の関数として、ｄ_aｔａｎ（ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₁／１．６））で表される。即ち、θ₁を小さくする（０へ近づける）と、Ｐ₃とＰ₄との距離が短くなる。つまり、θ₁が小さいと、カラーフィルタ４０Ｇ／隔壁３２界面における光の全反射による光取り出し効率の向上の効果は小さくなる。

以上説明したように、本発明の表示装置は、隔壁３２の側面に入射する光を全反射により出光し、かつ隔壁を通り抜けていく光はパネルの表面の法線方向に対してより大きい角度に屈折させて取り出す。こうすることによって、ブラックマトリクスで問題となっていた光学ロスの課題を解決しつつ、混色を解決することができる。

（２）第二の実施形態
図７は、本発明の表示装置における第二の実施形態を示す断面模式図である。図７の表示装置３は、図２の表示装置２と比較して、隔壁３２の断面形状が三角形であることを除けば図２の表示装置２と共通する。

第一の実施形態において、隔壁３２の形状は、その断面形状（四角形）から、上面及び底面を有する形状である。このため、隔壁３２の底面を通過する光の一部は、カラーフィルタ４０Ｇを通過しないで空気界面から出力される場合がある。ここで本実施形態では、隔壁３２の形状は、その断面形状（三角形）から、上面がない形状である。このため、上述した問題点（カラーフィルタ４０Ｇを通過しない光が空気界面から出力されるという問題）を解消することができる。

また図７の表示装置３のように、隔壁３２の断面形状を三角形にすると、画素（１０Ｇ等）の開口が極大となる。

ここで隔壁３２の頂角θ₆が７８°の場合、画素端部から空気界面に出力される光の出射光は２０°となる。従って、これより出射角が大きい出射光、即ち、内側の発光領域から画素端部へ到達する光の出射角は２０°を超えるため、観察者には届かず、隣接画素間の混色を防ぐことができる。一方、画素の中央近辺の光は、隔壁３２のテーパー部分で反射されて正面方向に導かれるため、光の取り出し効率がより向上する。

尚、隔壁３２の頂角が大きい場合は、光取り出し効率の向上の効果が大きい反面、混色が起こりやすくなる傾向にある。他方、隔壁３２の頂角が小さい場合は、混色は起こりにくくなる反面、光取り出し効率の向上の効果は小さい傾向にある。またこれらの傾向は、光源端部をどの位置に設定するかによっても異なるため、表示装置の表示特性を考慮した上で光源端部の位置と隔壁３２の頂角を決定すればよい。

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ、電子ビューファインダー等各種表示装置に適用できる。

１ａ（１ｂ）画素、２（３）：表示装置、１０Ｒ：赤色副画素、１０Ｇ：緑色副画素、１０Ｂ：青色副画素、１１：基板、２０：発光素子、２１：陽極、２２：有機化合物層、２３：陰極、３１：封止層、３２：隔壁、３３：ガラス基板、４０Ｒ（４０Ｇ、４０Ｂ）：カラーフィルタ

Claims (6)

1. 基板と、前記基板上にマトリクス状に複数配列されてなる画素と、から構成され、
   前記画素が、前記基板上に設けられる発光素子と、前記発光素子上に設けられ所定の色を出力させるためのカラーフィルタと、を有し、
   互いに隣接する二つの画素がそれぞれ有するカラーフィルタ間に隔壁が設けられ、
   前記隔壁の屈折率が、前記カラーフィルタの屈折率よりも低いことを特徴とする、表示装置。
2. 前記隔壁の屈折率が１．２乃至１．５であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記隔壁が可視光域の光透過率が８０％以上の材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記隔壁の断面形状が、順テーパーを有する四角形であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表示装置。
5. 前記隔壁の断面形状が、三角形であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記画素と前記カラーフィルタ及び前記隔壁との間に前記隔壁よりも屈折率の高い材料からなる封止層が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の表示装置。

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